涂善东院士谈碳中和背景下的结构完整性问题

NOEASY

涂善东院士是我国结构完整性研究和管理方面的著名专家，长期从事高温高压设备安全技术研发，创新发展了高温承压设备安全维修、安全评价以及本质安全调控等技术，成功应用于石化、能源等重化工业领域安全保障工程，为我国万台承压设备事故率逐年下降做出了贡献。推广应用于大型反应器、换热器、汽轮机、高端阀门等产品的可靠性设计制造，为企业创造了显著经济效益，为推动我国承压设备设计制造与维护技术体系的变革作出了重要贡献，并先后5次获国家科技奖励。

《碳中和背景下的结构完整性问题》是涂善东院士2021年10月在国际结构完整性学术年会上所作的闭幕报告。该报告从背景、挑战以及展望等三个方面分析了当前和今后碳中和背景下结构完整性发展的现状和方向，并阐明了数字孪生技术在结构完整性方面巨大的应用前景。

背 景

工业革命以来，人类对能源的需求快速增长，能源消费结构也在不断变化，大致经历了煤炭替代传统生物质能（木材）、石油替代煤炭以及目前的化石能源为主、多种新能源互补三个阶段。人类的财富在迅速增长的同时，大气中的温室气体也急剧增加。如何保障世界的可持续发展已成为全世界关注的一个重大问题。化石能源的燃烧产生的二氧化碳是导致温室效应的主要原因。为应对气候变化的挑战，包括中国在内的众多国家提出了碳达峰与碳中和目标。

2016年全世界178个缔约方共同签署的气候变化协定—《巴黎协定》，提出控制全球平均气温升幅在2℃之内，并努力将气温升幅限制在1.5℃之内。2020年，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

这对我国来说挑战巨大，因为我国目前还处在大规模工业发展阶段，碳排放量巨大，且清洁能源技术方面商业化程度低，很多关键的装备还依赖进口。但我国坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路，将逐步减少对化石能源的依赖。据估计，到2025年，我国一次能源中，仍有80%的能源来自化石燃料，而据碳中和目标估算，到2060年，只能有14%的能源来自煤炭、石油和天然气化石燃料，86%的能源将主要来自风、光、核、水及生物质等。

对结构完整性的挑战

碳中和目标对于结构完整性提出了新的挑战。低碳的目标要求最大限度地节约资源，因此必须具有全寿命周期的观点，在追求结构安全可靠、长寿命的同时，还要求尽可能实现轻量化。传统的结构完整性主要依靠相对单一的学科支持，如机械强度与断裂、材料科学以及计算科学等，由于科学技术基础薄弱，设计制造欠精准，因此既不能完全保证安全，也无法有效节约资源，更难以支撑下一代核电、风能、太阳能的高效开发以及氢作为能源载体的推广应用。

近年来，国际上提出了结构完整性四面体概念模型，要求利用系统科学的思维来对待结构完整性，要在传统的分析、评价和测试之上，考虑互联网技术方面的问题，要实现现代的信息通信与数据科学紧密地结合，最终形成数据驱动的结构完整性技术。同时，可靠性制造的理念正在许多高技术企业得以实施，它以高可靠性为目标，贯穿产品的全寿命周期，以前一代产品出现的问题、故障、失效为依据，吸纳新的知识，在新材料开发、产品设计、制造与运行维护等环节紧密合作，达成更高的可靠性目标；它以结构完整性的科学为基础，充分应用数字制造、智能制造等高效制造模式；为此，新的结构完整性科学与先进的可靠性制造模式的结合可望有力支撑低碳技术装备的实现。

未来能源体系中结构完整性挑战除欧盟净零排放结构完整性挑战中提出的火电、风电、氢能、太阳能以及原子能方面的问题外，还需要开展低碳材料的研究应用，实现材料本身的脱碳与低碳化。

在火电方面，煤电总体规模减小是显然的趋势，将从发电的主力逐渐成为电网调峰的补充能源，于是负荷波动对电站设备结构完整性的影响将显得更为重要。但是以煤为原料的电站，必须加上碳捕集利用与封存(CCUS)技术，成本较高。另外一种可能是加上生物质，与煤混烧，达到碳的平衡，由此也将带来的锅炉的积灰腐蚀等问题。发电技术方面需要开发微型燃气轮机系列产品，实现F级70MW和300MW重型燃气轮机以及H级重型燃气轮机的商业化，以全面提升能源利用效率。

在核电方面，可望为石化、冶金等提供清洁能源，其小型化、高可靠性、工况极端化的趋势仍然是对结构完整性科学的挑战，尤其是第四代核电在温度、压力和腐蚀环境方面都需要更加扎实的基础研究，积累更为充实的数据。

氢能发展过程中的安全问题同样十分重要，如何保障氢能的本质安全利用问题，除了高压氢储氢的路线，不排除其他本质安全的储运工艺，比如两种储氢载体——氨和甲醇。氨的优势是容易存储、运输和使用，理想化的氢气使用要比甲醇高10%,但制造工艺能耗高，温和温度和压力下氨分解的转化率低于60%，相关催化剂还在进一步研究。此外，氨气泄漏有毒性，对于燃料电池来说存在氨中毒的问题。另外一个较为理想的储氢载体是甲醇，它的优势在于常温下稳定安全，是氢含量最高的液体燃料，缺点是甲醇转化为氢的过程中仍然有少量二氧化碳的排出，但它可能是高压储氢技术全面商业化前，可靠利用氢能的更合理的方式。

可再生能源风能、太阳能以及潮汐能的利用也值得关注，但这些能源都存在不稳定波动的问题，必然会带来结构的疲劳问题，此外风沙环境、海洋潮湿环境也会不可避免的带来腐蚀、冲蚀方面的问题。

以上种种新的发展，会带来许多结构完整性方面的挑战问题，首先在材料和检验方面，未来风光电和煤电互补，火电站载荷会不断变化，因此需要考虑启停和稳定运行引起的应力变化导致的低循环疲劳、热机械疲劳以及蠕变疲劳交互作用问题，蠕变疲劳试验的模式不仅仅要考虑应力控制，还要考虑应变控制。

面对越来越复杂能源系统，多失效模式的问题将更加普遍，除了要考虑局部断裂、整体垮塌这些失效模式外，还需要考虑其他的损伤类型，如氢损伤、氧损伤、高温蠕变等损伤问题。

寿命管理方面的问题，大至核电系统，小至燃机、风机等能源设备都存在寿命管理方面的问题，比如，风机的退化机理必须考虑腐蚀与疲劳的相互作用。

如何评价和分析氢损伤包括氢脆、氢腐蚀、氢鼓包等也是结构完整性面临的一个亟待解决的问题。此外，氢能相关结构设备的数字化运维是结构完整性面临的一个重大问题，利用数字孪生技术实现设备运维的数字化是未来一个重要的发展方向。

结构完整性的展望

对我国而言，在制造模式上不必盲从其他国家，以可靠性为中心的制造应该成为我们关注的核心制造模式，这与智能制造、数字化制造和绿色制造也并不排斥。我们应该更加关注中国创制的装备在应用过程中出现的失效故障、损伤模式等问题，针对这些问题我们可以不断进行迭代改进与创新，在新一代的装备制造中，从材料开发、设计、制造、运维上追求更高的性能与可靠性。实现这样的过程，需要与智能制造和绿色制造的相互渗透，需要在创新链、产品链每一个关键链条上实现可靠性的测试与检验，保证产品全生命周期的可靠性的提升。

材料方面，要着重关注极端环境下新材料的研发，如氢腐蚀等复杂条件下复合材料的研发。材料强化设计方面，可通过为结构调控引入抗氢组分提升材料的抗氢能力，比如通过晶界工程引入低能界面；调控变形机制激发形变孪晶；调控化学成分分布稳定韧性相，阻止裂纹扩展。此外，还需要不断引入低碳生物基复合材料，研究它们的失效模式，设计制造与运维的科学方法，提高它们对钢铁、水泥及塑料替代的比例。

设计方面，主要研究设备长寿命、轻量化的设计问题。通过长寿命服役来降低资源消耗，对碳排放的减少是显著的。同时，要通过科学建模，最大限度控制不确定性，由此确定合理的安全区间，这需要考虑不同失效机制的相互作用，开发基于物理学的精确寿命设计方法。

制造方面，实现无缺陷、无残余应力的制造是我们未来的一个追求。高可靠性的增材制造技术是目前研究的热点，但增材制造最大的问题是很多内部的缺陷无法避免，需要进一步量化其影响；表面强化的寿命增益是显著的，但仍需要进一步量化。

维护方面，重点研究数字孪生技术，将维修决策从依赖停机检验转变为在线测试与仿真结合。特别需要指出的是，数字孪生技术并不是简单的仿真模拟，需要着力开展底层技术创新，包括传感技术、传感网络、数字模型建立等等。

编辑：恽海艳 校对：张强

JME学院简介

JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

铸林邀风

太专业了

颖江城

想当年还听过涂院士的课呢，那时他还不是院士。

老虎学者

这专业什么了，不过泛泛而谈而已。
莫非没上过大学，没接受过专业教育吗

babty

会不会是瞎折腾

NOEASY

老虎学者 发表于 2023-1-31 08:20
这专业什么了，不过泛泛而谈而已。
莫非没上过大学，没接受过专业教育吗

大而全，小而精是研究的不同维度，涂院士真的了不起